浅谈新型高精度测量仪器在工程测量中的应用

孔海峡

摘 要：随着国家经济的快速发展，加快了各项工程项目高质量建设的步伐。工程建设中，对于工程测量精度的要求不断提高。目前，工程测量仪器不断发展、更新，其精度和测量的准确度得到了极大地改善，一批批新型高精度测量仪器应运而生。文章就部分新型高精度测量仪器在工程测量中的应用进行简述，并阐述新型高精度仪器对工程测量的影响。

关键词：新型；高精度；测量仪器；工程测量；应用

中图分类号：TV221 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0117-03

1 前言

工程测量是借助各类专业测量仪器设备，对不同工程项目的方位、坐标、地形地貌、实体轮廓等等进行数据及参数的测量和收集的过程。工程测量是工程项目施工的前期阶段，如缺少精确的工程测量数据，将很难开展工程的后续工作，工程测量在整个工程项目中发挥着极其重要的作用。

随着科技水平不断进步，一项项新型高精度测量技术陆续出现，促使传统的测量技术手段得到极大地改变，测量数据的精确程度不断提高，对于工程测量产生了巨大的影响。新型高精度测量仪器主要表现为智能化和数字化，其科技含量高，在实际工程测量应用中表现出诸多优势，如测量精度高、测量效率高、实时跟踪测量、人工成本降低、人为影响因素减少等特点，较传统的工程测量仪器设备具有明显的优势。

2 新型高精度测量仪器的特点

传统的测量技术分为水准测量和三角高程测量。其中，水准测量具有高度测量方面较高的精确度，而在水平测距中因受到地形起伏变化导致其精确度明显下降；三角高程測量在实际应用中存在较大的局限性，其操作不够便捷，虽在大比例地形测绘、市政工程等工程测绘中应用广泛，但其测量误差较大，这些亟待改进的问题和缺点限制着传统测量仪器和测量技术的推广应用。

随着科技和经济的快速发展，工程测量对测量仪器的要求越来越高，传统的测量仪器已无法满足现代工程项目测量的需求。因此，新型高精度测量仪器应运而生。新型高精度测量仪器在测量误差校正、便捷操作、智能化等方面取得极大地突破。

数字化技术为工程测量带来了一场科技革命，该技术已广泛应用于新型高精度测量仪器，实现了工程测量过程中的计算机编辑和修补，呈现出高精确度的数字化地图，相比传统测量，凸显低劳动强度、方便快捷、实时更新及便于存储使用的优点。随着数字化技术与测量仪器相结合而诞生的新型高精度测量仪器对工程测量发挥的作用和影响也越来越大。

3 新型高精度测量仪器在工程测量中的应用

诸多新技术与高精度测量仪器融为一体，实现了例如数字化成图等功能，在各项工程项目建设中的工程测量方面得到广泛推广应用。现就举例说明新型高精度测量仪器在工程项目中的典型应用。

3.1 超高精度全站仪在城市地铁控制测量中的应用

在城市地铁建设中，测量起着至关重要的作用，从地铁建设初期的规划勘察、地铁施工前期的控制网和控制导线测量到地铁车站的施工建设以及盾构机推进过程中导线测量和盾构机引导测量，再到最后地铁建成通车后的健康运营监测，可以说，测量贯穿着城市地铁建设的始终。而控制导线测量是地铁建设过程中的一部分，就是在地铁建设施工前对整个地铁沿线布置的控制点进行测量，以指导地铁车站施工和盾构机推进过程中的测量。

地铁控制测量的精度要求非常高，施工工期很紧，测量单位选择测量仪器设备非常严格，要求不但能提供高精度的指标，而且在自动化程度上体现出更高的作业效率。徕卡全新的超高精度全站仪TS30，不仅可以为城市建设提供精度保证（测角精度可以达到0.5〞，测距精度可以达到0.6mm+1ppm），而且全新的压电陶瓷驱动技术（180°/s转速）比使用传统马达驱动的全站仪的效率整整提高了3倍，超高精度全站仪TS30测量数据的稳定性和可靠性大幅度提升。

高精度全站仪TS30不但拥有过硬的硬件结构和技术性能，而且在配备了由徕卡上海技术中心开发的本地化多测回测角程序以后，更加适应了中国测量工程师的操作使用习惯。多测回测角程序完全根据中国规范进行开发编制，具有规范中涉及的多种限差检核（包括测回差、测回互差以及归零差等等），可以真正做到在测量的过程中对测量数据进行监督检查，保证测量成果的可靠性，并且观测的数据可以生成报表，同时允许输出专业平差软件所能识别的文件格式，非常方便。

目前，国内地铁建设快速推进，超高精度全站仪TS30的诞生以及相配备的应用程序为城市地铁控制测量提供了一套全方位的应用解决方案，充分保证了城市地铁施工测量的精度以及作业效率，目前该仪器已在多个城市地铁项目中得到广泛推广应用，发挥出巨大的作用。

3.2 顶管自动引导测量系统的应用

徕卡TCA全自动全站仪为用户提供了强有力的编程编码工具，用户可根据自己的实际需要开发一些软件来控制TCA完成相应的测量工作。一部分工程企业正是在这样的前提下，积极引进徕卡的TCA1800全自动全站仪，研制开发自动引导系统，从而解决长距离曲线顶管工程中的测量问题，获得了巨大的经济和社会效益。

长距离曲线顶管工程中的测量工作非常繁杂。要保证管道按设计轴线顶进，要求频繁测量机头的位置。主要采用导线测量的方法设站，从工作井下固定点逐站测量到机头。由于顶管顶进过程中，整条管道是移动前进的，管道内设的导线点也是移动的，进行一次测量都必须全程由井下至机头逐站进行，测量结果就是一次性的。因此，采用传统的人工测量方法费时费力，严重影响工程进度。

自动引导系统应用TCA全站仪能够进行自动测量的优势，因势利导，可出色的完成工程中的测量任务，有效提高顶管的整体施工速度，保证顶管的质量。它直接将TCA全站仪固定安置在管道内壁，全站仪架在自动整平基座，以随时整平因管道移动而倾斜的仪器。全站仪手柄上连接圆棱镜，在整个导线测量的过程中充当相邻点位的前视和后视点。全站仪在编写的控制软件发出的指令下，自动完成全部测量工作。每台全站仪（包括工作井下基准点的全站仪）所测得的数据通过通讯电缆传输到工业计算机进行数据处理，计算出机头的当前位置，并将之与设计的管道中心轴线相比，就可得到机头的位置偏差，从而及时纠偏。整个测量过程几分钟便可完成，且不影响顶管施工，而人工测量占用的时间是它的几十倍。管道口径小的顶管采用人工方法测量用的难度将更难以想象。

3.3 移动测量系统在工程测量中的应用

移动测量系统集成了GPS全球定位、惯性导航、摄影测量、三维激光扫描等诸多前沿科技。GPS定位给出测量设备位置，惯性导航给出测量设备前进方向和照相机姿态，摄影测量利用GPS和惯导的数据给出外方位元素等信息。通过全（半）自动提取工具将视觉图像的舒适性置信度与测量速度下点云的精度一起组合在基于GIS的界面中。

采用无基站、无控制点的室内采集模式，经过IE和AutoP软件自动化处理生产轨迹、点云和影像成果。利用点云及影像数据成果，结合徕卡的Cyclone软件点云编辑、切平面、建模等功能，形成了一整套软硬件解决方案，能够快速进行海量数据采集的同时，也能实现高效三维建模，对于建模效率至少提高70%以上，能很好的解决建筑测量的需求。

3.3.1 系统成果举例

（1）点云成果：高程显示的点云，墙体轮廓清晰，桌椅可分辨，适于建模。详见图1。（2）点云成果：反射强度点云，照片同步查看，对比图中为植物、墙角。详见图2。（3）平面图成果：结合徕卡Cyclone点云处理软件，能够快速生成任意方向的切平面，在CAD中快速提取建筑物平面图。详见图3。（4）三维建模成果：结合徕卡Cyclone点云处理软件，半自动地生成平面、三维模型，可以导出至CAD或3ds Max里。详见图4。

3.3.2 系统特点

Pegasus Backpack是徕卡测量系统推出的全新移动实景测量背包，配备5个相机和2个激光扫描仪，集成高精度GNSS+IMU惯导系统、平板电脑控制系统，采用碳纤维材质和人体工学设计制作而成，是当前市场上集高性能、高精度、便携性于一体的高端移动测量背包系统，主要具有如下特点：

（1）采用SLAM技术能够对任意环境和位置进行测量，包括室内、室外任何地方进行测量，能一次性解决室内和室外测图。（2）两个剖面扫描仪每秒共可测量60万个点，测量有效半径为50m-70m。（3）市面上像元尺寸超大的传感器5.5um×5.5um；五个400万像素的固定相机，拍摄视角360°×200°，使用者可根据行进距离调整相机的采样间隔。（4）NovAtel ProPak6TM提供最新最尖端的精确GNSS接收机，通过稳定的现场验证IMU在GNSS中断10秒后精确，定位20mm RMS。（5）数据采集软件同步显示所有活动的相机和实时激光雷，同时可以进行激光扫描仪管理和GNSS操作。（6）能导出至CAD和其他软件中（DWG，DXF，SHP，GDB，DGN，E57，HPC，LAS，PTS，NMEA，KMZ），便于編辑管理。

3.3.3 使用效果

（1）采用SLAM技术改进了室内测图的轨迹计算，同时结合采集到的图像和激光点云，使得绘制与更新平面图更加容易。（2）借助顶尖的GPS和IMU组成的POS定位方案，在室外地区的绝对精度可达到5cm。室内则通过徕卡自主的SLAM算法，室内相对精度小于5cm-10cm，可满足建筑测量精度的需求。（3）可以达到一次测量，多种数据信息获取。可以同时获取点云与360°影像数据，另外可以搭配多种传感器，例如近红外、大气污染检测、探地雷达等，满足不同项目的应用。（4）支持ArcGIS和AutoCAD两个平台，可以为使用者提供不同格式的数据成果使用。

4 结语

随着国家经济的快速发展，国家的各项工程建设进度和质量稳步提升，传统测量仪器已无法满足现代工程测量的需要，取而代之的是具有高科技含量的现代测量技术和仪器。这些仪器一方面提高了测量数据的准确性，另一方面从技术上改变了传统的测量方式，使测量变得更加轻松便捷。新型高精度测量仪器是伴随着现代科技的发展而产生的，其结合信息化、科技化及数字化的程度较高，在工程实际应用中较传统测量仪器具有诸多优势。相信诸多新型高精度测量仪器会伴随着科技的发展进步得到更大程度的开发、利用，必将更好的服务于工程测量的需要。

参考文献

[1]周英英.高精度测量仪器对工程测量的影响研究[J].华东科技（学术版），2013，（5）：476.